автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка методики расчета долговечности элементов приводов прокатных станов

На правах рукописи

Мальцев Андрей Анатольевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИВОДОВ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

Специальность 05.03.05 — Технологии и машины обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -

2005

Работа выполнена в МГТУ им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Вафин Рашит Каримович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Голубчик Рудольф Михайлович

кандидат технических наук, доцент Зябликов Владимир Михайлович

Ведущая организация:

ОАО ЭЗТМ

Защита состоится «.¿_£Г» >ААХК>91 2005 года в «_» часов на заседании

диссертационного совета Д 212.141.04 в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская улица, дом 5.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана. Телефон для справок: 267-09-63

Автореферат разослан: 12 » 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В.И. Семенов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Потери из-за недостаточной долговечности металлургического оборудования очень велики: на все виды ремонта ежегодно расходуется около 25% капитальных вложений в металлургию, кроме того, на ремонтных работах занято более 20% рабочих отрасли и примерно треть металлорежущих станков.

В рамках разработанной федеральной программы «Техническое перевооружение и развитие металлургии России», предусмотрен переход от системы планово-предупредительных ремонтов (ППР) к новой системе ремонтов по фактическому состоянию на основе результатов диагностирования. Недостаток системы ППР заключается в том, что план ремонтов составляется по среднестатистическим данным о выходе из строя деталей и узлов, что приводит зачастую к замене исправного оборудования и не исключает аварии между ремонтами. Подсчитано, что затраты на ремонт оборудования без системы диагностики составляют, в среднем, 60% от его первоначальной стоимости, а с системой диагностики такие затраты в десять раз меньше.

Существующие системы диагностики оборудования имеют недостаток: при диагностировании не вычисляется остаточный ресурс — это подчеркивает актуальность диссертационной работы.

Цель и задачи работы С целью предотвращения аварий прокатных станов, вызванных внезапным разрушением высоконагруженных деталей приводов клетей, разработать и внедрить методику расчета долговечности, а также мониторинг остаточного ресурса этих деталей.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка методики расчета долговечности и остаточного ресурса деталей.

2. Изучение влияния истории нагружения на оценку долговечности деталей.

3. Разработка аппаратуры и программного обеспечения для мониторинга остаточного ресурса деталей.

Научная новизна

1. Построение блоков нагружения деталей приводов на основе данных цикловой нагруженности.

2. Расчет усталостной долговечности деталей приводов с учетом постепенного снижения предела выносливости после каждой ступени блока нагружения.

3. Влияние истории нагружения и построение функций распределения долговечности.

4. Разработка мониторинга остаточного ресурса деталей приводов с использованием специальной аппаратуры и программного обеспечения.

Практическая значимость

Обеспечение безаварийной работы деталей приводов клетей прокатных станов на основе разработанной новой методики расчета усталостной долговечности и проведения мониторинга остаточного ресурса посредством созданных специальной аппаратуры и программных средств.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались па международной научно-технической конференции «Павловские чтения» в Московском институте стали и сплавов (2000т.); на всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика А.И. Целикова в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана (2004г.); на научно-технических семинарах кафедры «Прикладная механика» и кафедры «Оборудование и технологии прокатки» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (2004г.).

Достоверность полученных результатов Достоверность расчета цикловой нагруженности подтверждена сравнением теоретических графиков нагружения с осциллограммами. Достоверность вычисления усталостной долговечности подтверждена сравнением расчетного и эксплуатационного сроков службы.

Публикации По материалам диссертации опубликовано 9 статей.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (33 наименования) и приложения. Работа изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

Кратко изложены предпосылки написания диссертации, обоснована ее актуальность, научная новизна и практическая значимость.

Современное состояние проблемы предотвращения аварий прокатных

станов

В результате анализа литературных источников выявлен недостаток существующих методов расчета усталостной долговечности: процесс накопления усталостных повреждений рассматривается как автомодельный, то есть не учитывается постепенное снижение предела выносливости, вызванное самой усталостью, старением, коррозией, износом и другими процессами деградации материала детали, происходящими со временем. Существующие системы диагностики прокатных станов не позволяют прогнозировать усталостное разрушение высоконагруженных деталей приводов клетей, поэтому для предотвращения аварий необходим мониторинг остаточного ресурса этих деталей.

Расчет долговечности деталей приводов рабочих клетей при неавтомодельных процессах накопления усталостных повреждений

Изложена методика расчета усталостной долговечности, которая проиллюстрирована на примерах автоматстана 220 ПНТЗ (Первоуральский новотрубный завод), трехвалкового стана ЭЗТМ-80 (Электростальский завод тяжелого машиностроения), клети 350 сортового стана (Бхилайский металлургический комбинат, Индия), лабораторно-промышленного стана ДУО-140 (Электростальский политехнический институт (филиал) московского института стали и сплавов)

В приводе клети каждого прокатного стана (рис.1) имеется деталь, которая чаще других деталей выходит из строя. Эта деталь определяет лимит безаварийной работы и устанавливается только по эксплуатационным данным с учетом материальных и трудовых затрат на ремонт. Опыт эксплуатации показал, что у автоматстана 220 ПНТЗ лимитирующая деталь — предохранительный шпиндель (1), у трехвалкового стана ЭЗТМ-80 — карданный шпиндель (2), у клети 350 сортового стана — рабочий валок (3), у стана ДУО-140 — универсальный шпиндель (4).

Рис 1. Схемы приводов клетей и их лимитирующие детали

Выработка ресурса деталью проявляется главным образом в накоплении необратимых повреждений, которые могут быть как механического, так и физико-химического происхождения. Из всех видов повреждений усталостное разрушение приводит более чем к 80% внезапных поломок деталей, и поэтому рассматривается в диссертации.

Математическая модель привода (далее рассматривается автоматстан 220 ПНТЗ) представляет собой многомассовую диссипативную крутильную систему (рис.2), движение которой описывается дифференциальными уравнениями второго порядка:

Аф + Вф + С<р = М, (О

где ф, ф,ф — векторы-столбцы угловых ускорений, скоростей и перемещений массивных элементов соответственно; А — диагональная матрица моментов инерции вращающихся масс, В — квадратная симметричная «ленточная» матрица коэффициентов демпфирования, С — квадратная симметричная «ленточная» матрица жесткостей квазиупругих связей; М — вектор-столбец внешних возмущающих моментов (момент электродвигателя и моменты прокатки М)

Рис.2. Математическая модель привода клети автоматстана 220 ПНГЗ

Инерционные и жесткостные параметры математической модели идентифицированы по геометрическим и инерционным характеристикам конструкционных элементов. Нелинейно-упругие характеристики зазоров аппроксимированы кусочно-линейными функциями.

Внешний момент прокатки задан как внезапная ступенчатая функция времени из-за ударного характера захвата рабочими валками заготовки, его величина вычислена по формуле Целикова-Анисифорова

М„р=3,3 г-ц-

(к У-г] (р^ + р,ц)-2-(я.еь-г 8тек).р2ь0|

(2)

R

где г — радиус калибра; ц — коэффициент внешнего трения; идеальный радиус валка, Ь|, Ьг — длина зоны редуцирования и зоны обжатия, 0 „ — угол, определяющий положение катающего диаметра; L опер — длина зоны опережения, p1 p2 — удельные давления на валок в зоне редуцирования и в зоне обжатия.

Наибольшая по всему сортаменту ошибка сравнения расчетных и эксплуатационных моментов прокатки — 17% (рис 3)

условный номер типоразмера трубы

Рис 3 Расчетные и фактические моменты нагрузки при прокатке труб

Система дифференциальных уравнений движения (1) была решена в развернутом виде методом Дормана-Принса В результате решения получены графики моментов сил упругости на всех участках привода Сравнение компьютерных графиков с осциллограммами показало удовлетворительный результат средняя по сортаменту ошибка сравнения по амплитудам — 15%, по частоте колебаний — 7% (рис 4)

Рис 4 Сравнение расчетных и фактических моментов сил упругости при прокатке трубы 219 * 8

Графики моментов сил упруюсти на участке привода, где расположен предохранительный шпиндель, преобразованы в графики напряжений для его опасного сечения Вычислен предел выносливости в опасном сечении предохранительного шпинделя При этом использована статистическая теория подобия усталостного разрушения, которая описывает совместное влияние концентрации напряжений и масштабного фактора на сопротивление усталости Выполнена двухпараметрическая систематизация нагрузочною режима методом укрупненных размахов Построена корреляционная таблица совместного распределения амплитуд и средних значений циклов Выполнено приведение амплитудных напряжений к симметричному циклу При построении блока нагружения (рис 5) посредством ранжирования амплитуд касательных напряжений в опасном сечении предохранительного шпинделя рассмотрен весь годовой сортамент автомат стана 220 ПНТЗ с учетом количества проката каждого типоразмера

145152 17742« 213263 250618 280415 305351 341224 число циклов

Рис 5 Ранжирование нагрузки и составление годового блока нагружения

Годовой блок нагружения предохранительного шпинделя содержит одну повреждающую ступень №1 с амплитудами Т[ = ттах = 47,25 МПа выше предела выносливости детали т )д = 43 МПа, четыре ступени (№2, №3, №4, №5) с амплитудами выше уровня 0,6 х ]д = 25,8 МПа Две безопасные ступени (№6, №7) имеют амплитуды ниже уровня 0,6 т 1д = 25,8 МПа

При расчетах на усталостную долговечность считается, чю параметры кривой усталости (предел выносливости детали т _1Д; параметр угла наклона левого участка кривой усталости, представленной в двойных логарифмических координатах, т; координата точки перегиба кривой усталости No) остаются неизменными во времени. Число циклов нагружения до разрушения N = N(t) при постоянном уровне амплитуд напряжений т определяется по кривой усталости, а процесс накопления усталостных повреждений v = v(t, п) считается зависящим только от относительного числа циклов нагружения n/N (псевдоповреждений). Это автомодельный процесс накопления усталостных повреждений, скорость которого может быть представлена в виде произведения двух функций, одна из которых зависит только от накопленного усталостного повреждения v, а другая — только от уровня амплитуд напряжений (условие линейного суммирования псевдоповреждений не нарушается):

Поэтому сначала в диссертации расчет усталостной долговечности был выполнен по формуле корректированной линейной гипотезы суммирования повреждений без учета снижения предела выносливости детали и без учета истории нагружения. Срок службы предохранительного шпинделя

(4)

где \ — ресурс детали, выраженный числом блоков нагружения до появления первой макроскопической трещины; Сд — длина блока нагружения (1 год); т _]д , m, № — параметры кривой усталости; т„ п, — амплитуда и число циклов ступеней №1, №2, №3, №4, №5 блока нагружения (см. рис.5);

Корректирующий коэффициент ар вычисляется как

(3)

где К„ — некоторое число, определяющее нижнюю границу повреждающих напряжений (Ка = 0,6); тпих — максимальная амплитуда блока; п0бШ — общее число циклов в блоке.

Параметры, входящие в формулу (4) имеют рассеяние до + 20% от своих номинальных значений и рассматриваются как случайные величины. Поэтому для прогнозирования долговечности предохранительного шпинделя использован метод Монте-Карло. С помощью генератора случайных чисел разыграно 1000 численных значений сроков службы ТС1, которые лопали в диапазон от 0 до 10 лет (рис.6). Вычислено медианное значение Ти и

среднеквадратическое отклонение сроков службы.

Рис.6. Графическая реализация метода Монте-Карло, каждая точка — случайное значение срока службы предохранительного шпинделя

В результате построены гистограмма распределения долговечности, где п — число точек, а также теоретическая «сплошная» и эмпирическая «штриховая» кривые плотности распределения долговечности f (рис.7).

П {

0 2 4 6 3 10

Рис.7. Гистограмма распределения и плотность вероятности долговечности

7

Предположение о законе распределения Вейбулла подтверждено критерием согласия Пирсона

к (п

= (5)

I-

г=1

<Х2(к-3),

где п J _,мп„р — число попаданий случайной величины долговечности в j - тый интервал; р ] те0р — теоретическое значение плотности вероятности; к — число интервалов; N — число розыгрышей сроков службы.

Одной из основных задач диссертационной работы было изучение влияния истории нагружения на оценку долговечности деталей. Полому был выполнен расчет усталостной долговечности с учетом снижения предела выносливости детали после каждой ступени блока нагружения и с учетом возможной последовательности ступеней в блоке, что определяет историю нагружения.

Нижняя оценка усталостной долговечности получена путем ранжирования ступеней блока нагружения по уменьшению уровня амплитуд (№1, №2, №3, №4, №5, №6, №7). Это прямой порядок нагружения (см. рис.5).

Верхняя оценка усталостной долговечности получена путем ранжирования ступеней блока нагружения по увеличению уровня амплитуд (№7, №6, №5, №4, №3, №2, №1). Это обратный порядок нагружения.

Средние значения сроков службы при прямом, обрагном и смешанном (№6, №3, №5, №1, №7, №4, №2) порядках нагружения

(6)

где элементарные долговечности для каждой i - той ступени блока

а новый предел выносливости детали и новая координата точки перегиба кривой усталости после i - той ступени блока нагружения:

— накопленное усталостное повреждение.

При прямом порядке приложения нагрузок усталостное повреждение с учетом снижения предела выносливости детали, в результате чего ступень №6 блока нагружения стала повреждающей, составит величину упр|ш = 0,28

При обратном порядке нагружения только одна ступень №1 вызывает усталостное повреждение, которое составит величину

При сильном перемешивании циклов, полное усталостное повреждение V шеш = 0,223 находится в вилке значений 0,124 и 0,28 Как и ожидалось, величина усталостного повреждения v зависит от истории нагружения

Эксплуатационный (фактический) срок службы предохранительного шпинделя автоматического стана 220 ПНТЗ по данным ВНИИМЕТМАШ им академика А И Целикова составляет 0,9 года Эти данные получены в результате наблюдений за техническим состоянием объекта в течение 10 лет его эксплуатации Расчетный срок службы предохранительного шпинделя без учета снижения предела выносливости составляет 1,594 года, что превышает фактический на 43% При определении расчетного срока службы предохранительною шпинделя в случае прямого порядка нагружения и с учетом снижения предела выносливости получено значение 1,084 года, что превышает фактический на 17% , то есть достаючно близко совпадает с ним Ишересные значения срока службы получаются при обратном и смешанном порядках нагружения, то есть соответственно 8,05 и 2,7 года

Таким образом, при вычислении срока службы предохранительного шпинделя автоматстана 220 ПНТЗ, учет снижения предела выносливости детали привел к более достоверным результатам, и вариант с прямым порядком нагружения явтяется наиболее правдоподобным Как и ожидалось, при обратном порядке нагружения получен наибольший срок службы для каждой заданной детали

Задача по прогнозированию остаточного ресурса наиболее актуальна в ситуации, когда к некоторому моменту времени приходят к заключению, что ресурс заданной детали близок к исчерпанию, а продление срока ее эксплуатации на некоторое время дает значительный экономический эффект или дает возможность для заказа и подготовки к замене на новую деталь

Установлен закон распределения вероятностей для остаточного ресурса Т, отсчет которого производится от момента времени (рис 8)

Плотность и интегральная функция распределения вероятностей для остаточного ресурса

(7)

где а и Ь

— параметры масштаба и формы (закон Вейбулла)

Вычислен 90% остаточный ресурс (у = 0,9) при условии, что деталь уже выработала свой ресурс, то ее гь I. = Тг

(8)

04

03

02

0 I

-

^ < /90)

х ^чч/' _1 ' --- .Ь щи

X------ .

0 1 1 ---1- 4 6

10

I ,Т

Рис 8 График, поясняющий расчет остаточного ресурса детали ОД — плотность распределения долговечности, Я(1:) — плотность распределения остаточного ресурса

Расчетное значение долговечности заданной детали слагается из выработанного ресурса Тсл и остаточного ресурса Ту

Сопоставление расчетного (с учетом остаточного ресурса) и

эксплуатационного Т„

сроков службы показало, что погрешность

сравнения не превышает 24% (табл 1)

Результаты прогнозирования остаточного ресурса

Таблица 1

Заданные детали 1., лет Ту -гРАСЧЕТ сл >лет тэкслл 1 сл

Предохранительный шпиндель 1,08 0,11 1,19 24% 0,90

Карданный шпиндель 2,69 0,25 2,94 15% 2,50

Рабочий валок 2,01 0,22 2,23 19% 1,80

Универсальный шпиндель 4,44 0,43 4,87 — —

Мониторинг остаточного ресурса

Разработана аппаратура для мониторинга остаточною ресурса (рис 9), включающая датчики температуры (ДТ), вибрации (ДВ) и крутящего момента (ДМ), модули измерения тсмперагуры (МИТ), вибрации (МИВ) и крутящего момента (МИМ), собранные в измерительный блок (ИБ), индикаторы температуры (ИТ), вибрации (ИВ) и крутящего момента (ИМ)

С помощью этой аппаратуры можно контролировав температуру масла редуктора, уровень вибрации электродвигателя и корпуса редуктора, а также крутящие момент ы на шпинделях прокатног о стана

Рис 9 Схема измерительной части и общий вид аппаратуры Основным звеном системы мониторинга является персональный компьютер (ПК), на ко юром установлено программное обеспечение (ПО) (рис 10), объединяющее программу оцифровки сигналов с датчиков и программу вычисления остаточного ресурса

Рис 10 Фиксирование нагрузки и вывод остаточного ресурса на дисплее ПК

11

Алгоритм вычисления остаточного ресурса представлен в виде блок-схемы (рис.11).

Рис. 11. Блок-схема вычисления остаточного ресурса

Канал измерения температуры (Т) включает мост с терморезистором (ДТ) и модуль усилителя сигнала (МИТ) с выходом на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Канал измерения вибрации (В) включает акселерометр (ДВ) на магнитной присоске и модуль усилителя сигнала (МИВ) с выходом на АЦП. Канал измерения крутящего момента (М) включает полумост из двух тензодатчиков (ДМ) и модуль усилителя сигнала (МИМ) с выходом на АЦП (рис12). Тензодатчики предварительно наклеены на тонкие металлические пластинки и подвержены термообработке, чтобы лучше сохранять способность линейно деформироваться. Затем пластинки с тензодатчиками привариваются точечной сваркой в месте замера.

; : _ J.

Рис 12 Схема канала измерения крутящи о момента

Плата АЦП необходима для превращения компьютера в цифровой осциллограф Альтернативный и более дешевый вариант — использование звуковой карты, которая содержит двухканальныи АЦП линейный и микрофонный входы После установки специальных утилит компьютер со звуковой картой становится полным аналогом цифрового низкочастотного осцилло1рафа

Для демонстрации возможностей системы мониторинг изгоювлен макет лимитирующей детали в виде металлической пластины с наклеенными тензодатчиками Изготовлен измерительный блок в виде внешнего устройства Приобрели осциллографический прибор OSC1 который выполнен как внутренняя плата IBM PC и вставляется в свободный слот ISA шины материнской платы компьютера (рис 13)

Рис 13 Общий вид макета детали, измерительного блока и дополнительной плаш к ПК

Замер крутящих моментов на предохранительном шпинделе автоматстана 220 ПНГЗ при прокатке произведен специалистами ВНИИМЕ1 МАШ им академика А И Целикова На основании этой ретроспективной экспериментальной информации в диссертации получены весовые коэффициенты долговечности для заготовки каждого типоразмера и вычислен ресурс предохранительного шпинделя Т^!ПГР= 0 998 лет Погрешносгь сравнения экспериментального и эксплуатационного ресурсов составила 10 % (табл 2)

В ходе эксперимента на трехвалковом стане ЭЗТМ-80 стационарно установленный датчик температуры показал, что температура масла в редукторе не превышала допускаемое значение в 50°С, при этом измеряемые параметры вибрации указывали на работоспособное состояние оборудования Получены осциллограммы крутящих моментов, вычислен ресурс карданного шпинделя - 3 179 лет Погрешность сравнения

экспериментального и эксплуатационного ресурсов составила 21 %

Монтаж аппаратуры для мониторинга остаточного ресурса на лабораторно-промышленном станс ДУО-140 (рис 14) выполнен в следующем порядке на универсальном шпинделе установлены тензодатчики, собранные по полумостовой схеме, в отдельном помещении установлены компьютер, измерительный блок вместе с усилителем ТА-5 и консольная тарировочная балочка Аппаратура установлена стационарно для соединения датчиков и электронных блоков, расположенных на значительном расстоянии, использованы экранированные кабели, размещенные внутри стальных труб малого диаметра В результате эксперимента выполнены замеры крутящих моментов на универсальном шпинделе, проверено качество работы аппаратуры и вычислен ресурс универсального шпинделя Т^СПЕГ = 6 174 лет Данных по эксплуатационному ресурсу для универсального шпинделя нет, поскольку он ни разу не выходил из строя По результатам эксперимента на стане ДУО-140 составлен протокол мониторинга технического состояния объекта и получен акт внедрения

Рис 14 Общий вид стана ДУО-140 и аппаратуры мониторинга

Материалы диссертации запрошены для проектирования привода трехвалкового раскатного стана вертикальной машины непрерывного литья труб МНЛТ В-1500 и для реконструкции сортового стана путем замены чистовой клети 350 на клеть 400.

Таблица 2

Выводы по работе Результаты теоретических и экспериментальных исследований

позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработана новая методика расчета циклической нагруженности и усталостной долговечности деталей приводов клетей прокатных станов с учетом снижения предела выносливости и с учетом истории нагружения.

2. Срок службы предохранительного шпинделя автоматстана 220 ПНТЗ, спрогнозированный по существующей методике без учета снижения предела выносливости, превысил более чем на 40% фактический срок службы, что неприемлемо для практики эксплуатации.

3. Расчеты по разработанной новой методике с учетом снижения предела выносливости, а также с учетом истории нагружения посредством ранжирования нагрузки, определяют срок службы предохранительного шпинделя достаточно близко к фактическому, с ошибкой менее 17%.

4. С целью предотвращения аварий необходимо предусматривать в конструкциях прокатных станов средства мониторинга остаточного ресурса, для чего в рамках диссертации разработаны соответствующая аппаратура и программное обеспечение.

5. Проведено испытание аппаратуры для мониторинга на стане ДУО-140 с определением остаточного ресурса универсального шпинделя после прокатки серии заготовок и составлен протокол мониторинга технического состояния этой детали.

6. Разработанная аппаратура для мониторинга имеет преимущества перед зарубежными аналогами, поскольку позволяет вычислять остаточный ресурс и значительно дешевле фирменной продукции, что делает ее конкурентоспособной и импортозамещающей.

7. Программное обеспечение для мониторинга остаточного ресурса построено по принципу открытой архитектуры и служит основой создания самостоятельной информационно-справочной базы.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Создание системы мониторинга прокатного оборудования / Р.К. Вафин, Р.И. Ахмедшин, А.А. Мальцев и др.

// Сталь. — 2001. — №11. — С.62 — 64.

2. Система мониторинга технического состояния лабораторного прокатного стана ДУО-140 / Р.К. Вафин, Р.И. Ахмедшин, А. А. Мальцев и др.

// Сборник научных трудов ЭПИ МИСиС. — Электросталь, 2002. —

Vv.¡.T / — ¡.и/^.

3. Вафин Р.К., Мальцев А.А. Методика расчета долговечности элементов металлургических машин

// Известия ВУЗов. Машиностроение. — 1999. — №4. — С.20 - 22.

4. Вафин Р.К., Мальцев А.А. Новая методика расчета цикловой нагруженности и усталостной долговечности

// Труды всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика А.И. Целикова. — М., 2004. — С.416-418.

5. Вафин Р.К., Мальцев А.А. Система мониторинга остаточного ресурса

// Труды всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика А.И.Целикова. — М., 2004. — С.418-419.

6. Гриншпун М.И., Мальцев А.И., Мальцев А.А. Техническая диагностика и анализ работоспособности металлургических машин

// Актуальные проблемы фундаментальных наук: труды второй международной научно-технической конференции — М., 1994. — Том.2, часть 2. — С. F-15.

7. Гусев А.С., Вафин Р.К., Мальцев А.А. Расчет усталостной долговечности конструкций с учетом снижения предела выносливости // Известия ВУЗов. Машиностроение. — 2004. — №5. — С.35 - 40.

8. Мальцев А.А. Расчет на прочность и мониторинг стана 400

// Известия ВУЗов. Машиностроение. — 1997. — №1 - 3. — С.141.

9. Система мониторинга привода клети 400 сортопрокатного стана / Р.К. Вафин, Б.А. Серман, А.А. Мальцев и др.

// Сталь. — 2000. — №12. — С.28 — 29.

Подписано к печати 15.03. 05г. Зак.58 объем 1,0 п.л. Тир. 100 Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана

Of.Oi-Pftis

L L 1

342

Введение.л«.

Глава 1. Современное состояние проблемы прокатных станов.:

1.1. Недостатки методов расчета усталостной долговечности.

1.2. Необходимость мониторинга остаточного ресурса.

1.3. Патентный поиск.,.

1.4. Выводы по главе.

Глава 2. Расчет долговечности деталей приводов рабочих клетей при неавтомодельных процессах накопления усталостных повреждений.

2.1. Крутильные колебания в приводе клети прокатного стана.

2.2. Определение моментов прокатки для всего сортамента стана.

2.3. Определение параметров кривой усталости для заданной детали.

2.4. Построение блока нагружения.

2.5. Расчет долговечности без учета истории нагружения.

2.6. Расчет долговечности с учетом истории нагружения.

2.7. Прогнозирование остаточного ресурса.

2.8. Выводы по главе.

Глава 3. Мониторинг остаточного ресурса.

3.1. Разработка измерительного блока аппаратуры.

3.2. Оцифровка сигналов с датчиков.

3.3. Разработка программного обеспечения.

3.4. Результаты экспериментов на промышленном оборудовании.

3.5. Выводы по главе.w.

Потери из-за недостаточной долговечности металлургического оборудования очень велики: на все виды ремонта ежегодно расходуется около 25% капитальных вложений в металлургию, кроме того, на ремонтных работах занято более 20% рабочих отрасли и примерно треть металлорежущих станков [1]. Разработана федеральная программа «Техническое перевооружение и развитие металлургии России», в рамках которой предусмотрен переход от системы планово-предупредительных ремонтов (ППР) к новой системе ремонтов по фактическому состоянию на основе результатов диагностирования. Серьезный недостаток системы ППР заключается в том, что план ремонтов составляется по среднестатистическим данным о выходе из строя деталей и узлов. Ремонт по регламенту зачастую приводит к замене исправного оборудования и не исключает аварии между ремонтами. Подсчитано, что затраты на ремонт оборудования без системы диагностики составляют, в среднем, 60% от его первоначальной стоимости, а с системой диагностики такие затраты в десять раз меньше. Существующие системы диагностики прокатных станов имеют недостаток: при диагностировании не вычисляется остаточный ресурс — это подчеркивает актуальность диссертационной работы.

С целью предотвращения аварий прокатных станов, вызванных внезапным разрушением высоконагруженных деталей приводов клетей, в диссертации разработана методика расчета усталостной долговечности с учетом истории нагружения, а также программное обеспечение и аппаратура для мониторинга остаточного ресурса.

Методика проиллюстрирована на примере автоматстана 220 ПНТЗ Первоуральского новотрубного завода (рис.В. 1,а), трехвалкового стана ЭЗТМ-80 Электростальского завода тяжелого машиностроения (рис.В.1,б), клети 350 (рис.В.1,в) сортового стана Бхилайского металлургического комбината (Индия), лабораторно-промышленного стана ДУСМ40 (рис.В.1,г)

Электростапьского политехнического института (филиала московского института стали и сплавов). а) о) в)

Г)

Рис. В, 1. Общий вид приводов клетей прокатных станов

В диссертации получены новые научные результаты: 1. Построены блоки нагружения деталей приводов клетей прокатных станов на основе данных цикловой нагруженности этих деталей с учетом годовою сортамента.

2. Выполнен расчет усталостной долговечности деталей приводов с учетом постепенного снижения предела выносливости после каждой ступени блока нагружения.

3. Учтено влияние истории нагружения на оценку долговечности деталей приводов и построены функции распределения долговечности.

4. Разработан мониторинг остаточного ресурса деталей приводов с использованием специальной аппаратуры и программного обеспечения.

Аппаратура .тля мониторинга остаточного ресурса включает канал измерения крутящего момента и дополнительные каналы измерения температуры и вибрации. Аппаратура пригодна для промышленного использования и способна контролировать температуру масла редуктора, вибрацию электродвигателя и корпуса редуктора, крутящие моменты на шпинделях прокатного стана (рис.В.2).

Рис. В.2. Общий вид аппаратуры для мониторинга остаточного ресурса

Аппаратура была установлена на стане ДУО-ИО и на стане ЭЗТМ-80, в результате чего определен остаточный ресурс их деталей. Аппаратура развертывается (свертывается) за 5—10 минут при наличии прямого доступа к контрольным точкам оборудования. Все принадлежности системы, включая ноутбук, кроме уже установленных на контролируемом вале тензодатчиков, свободно размешаются в малогабаритном чемодане и легко транспортируются одним человеком-оператором.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Павловские чтения» в Московском институте стали и сплавов (2000г.); на всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика А.И. Целикова в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана (2004г.); на научно-технических семинарах кафедры «Прикладная механика» и кафедры «Оборудование и технологии прокатки» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (2004г.). По теме диссертационной работы опубликовано девять статей [2,3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].

ВЫВОДЫ

1. Разработана новая методика расчета циклической нагруженности и усталостной долговечности деталей приводов клетей прокатных станов с учетом снижения предела выносливости и с учетом истории нагружения.

2. Срок службы предохранительного шпинделя автоматстана 220 ПНТЗ, спрогнозированный по существующей методике без учета снижения предела выносливости, превысил более чем на 40% фактический срок службы, что неприемлемо для практики эксплуатации.

3. Расчеты по разработанной новой методике с учетом снижения предела выносливости, а также с учетом истории нагружения посредством ранжирования нагрузки, определяют срок службы предохранительного шпинделя достаточно близко к фактическому, с ошибкой менее 17%.

4. С целью предотвращения аварий необходимо предусматривать в конструкциях прокатных станов средства мониторинга остаточного ресурса, для чего в рамках диссертации разработаны соответствующая аппаратура и программное обеспечение.

5. Проведено испытание аппаратуры для мониторинга на стане ДУО-140 с определением остаточного ресурса универсального шпинделя после прокатки серии заготовок и составлен протокол мониторинга технического состояния этой детали.

6. Разработанная аппаратура для мониторинга имеет преимущества перед зарубежными аналогами, поскольку позволяет вычислять остаточный ресурс и значительно дешевле фирменной продукции, что делает ее конкурентоспособной и импортозамещающей.

7. Программное обеспечение для мониторинга остаточного ресурса построено по принципу открытой архитектуры и служит основой создания самостоятельной информационно-справочной базы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Усталостное разрушение вызывает более 80% всех внезапных поломок деталей. Расчет усталостной долговечности детали может быть выполнен при условии, что известен блок нагружения. Но построение самого блока нагружения при различных режимах эксплуатации прокатного стана с учетом всего сортамента — сложная задача. Предпочтительным методом решения этой задачи является экспериментальный метод, который неприемлем на стадии проектирования оборудования. Поэтому на стадии проектирования необходима методика оценки циклической нагруженности деталей привода клети прокатного стана путем математического моделирования. Большинство прокатных станов относится к классу уникальных машин, которые изготовляются по индивидуальным проектам, что препятствует накоплению статистической информации о долговечности их деталей, поэтому необходима новая, более точная методика расчета долговечности этих деталей. Существующие системы диагностики и мониторинга оборудования не рассчитаны на прогноз остаточного ресурса деталей привода клети прокатного стана. Большинство отечественных организаций и заводов предпочитают приобретать дорогую зарубежную диагностическую аппаратуру, хотя в России имеются как свои производители, так и теоретические разработки в области диагностики и прогнозирования. Разработанная методика расчета усталостной долговечности деталей приводов прокатных станов дает возможность оценить остаточный ресурс привода, выявить его слабые места, технологические и силовые резервы, дать обоснованные рекомендации по интенсификации прокатки и по реконструкции стана. Расчет усталостной долговечности с учетом постепенного снижения уровня предела выносливости детали (при неавтомодельном процессе накопления усталостных повреждений), с учетом истории нагружения, а также с учетом остаточного ресурса, оказался более достоверным, чем обычный расчет долговечности (при автомодельном процессе накопления усталостных повреждений). Разработанная аппаратура для мониторинга остаточного ресурса применима в производственных условиях и способна контролировать температуру масла редуктора, вибрацию электродвигателя и корпуса редуктора, а также крутящие моменты на шпинделях прокатных станов. Аппаратура имеет малые габариты и легко транспортируется одним человеком. Программное обеспечение для мониторинга остаточного ресурса построено по принципу открытой архитектуры, что позволяет пополнять базу данных и адаптировать аппаратуру к каждому новому объекту мониторинга.

1. Гребеник В.М., Гордиенко А.В., Цапко В.К. Повышение надежности металлургического оборудования — М.: Металлургия, 1988. — 688с.

2. Создание системы мониторинга прокатного оборудования / Р.К. Вафин, Р.И. Ахмедшин, А.А. Мальцев и др.

3. Сталь. — 2001. — № 11. — С.62 — 64.

4. Система мониторинга технического состояния лабораторного прокатного стана ДУО-140 / Р.К. Вафин, Р.И. Ахмедшин, А.А. Мальцев и др. // Сборник научных трудов ЭПИ МИСиС. — Электросталь, 2002. — С.247 -252.

5. Вафин Р.К., Мальцев А.А. Методика расчета долговечности элементов металлургических машин

6. Известия ВУЗов. Машиностроение. — 1999. — №4. — С.20 22.

7. Вафин Р.К., Мальцев А.А. Новая методика расчета цикловой нагруженности и усталостной долговечности

8. Труды всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика А.И. Целикова — М., 2004. — С.416 418.

9. Вафин Р.К., Мальцев А.А. Система мониторинга остаточного ресурса

10. Труды всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика А.И.Целикова — М., 2004. — С.418 419.

11. Гриншпун М.И., Мальцев А.И., Мальцев А.А. Техническая диагностика и анализ работоспособности металлургических машин

12. Актуальные проблемы фундаментальных наук: труды второй международной научно-технической конференции — М., 1994. — Том.2, часть 2.—С. F-15.

13. Гусев А.С., Вафин Р.К., Мальцев А.А. Расчет усталостной долговечности конструкций с учетом снижения предела выносливости

14. Известия ВУЗов. Машиностроение. — 2004. — №5. — С.35 40.

15. Мальцев А.А. Расчет на прочность и мониторинг стана 400 // Известия ВУЗов. Машиностроение. — 1997. — №1 3. — С. 141.

16. Система мониторинга привода клети 400 сортопрокатного стана / Р.К. Вафин, Б.А Серман, А.А. Мальцев и др.

17. Сталь. — 2000. — №12. — С.28 — 29.

18. Вафин Р.К. Романов К.И., Ширшов А.А. Методические указания к решению задач по длительной прочности по курсам «Конструктивная прочность и ее физические основы» и «Прикладная теория пластичности и ползучести» — М.: Типография МВТУ. 1986. — 24с.

19. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени— М.: Машиностроение, 1977. — 232с.

20. Серенсен С.В. Когаев В.П. Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность — М.: Машиностроение, 1975. —488с.

21. Коновалов JI.B., Цупров А.Н. Расчет коэффициента готовности металлургического оборудования на основе банка данных

22. Вестник машиностроения. — 1991. — №6. — С.54 — 55.

23. Оценка и повышение надежности буксовых поводков вагонов метрополитена / В.П. Когаев. А.П. Гусенков, И.В. Гадолина и др.

24. Научно-технический прогресс в машиностроении. —1989. —№10. — С.83 — 98.

25. Вафин Р.К. Основы расчетов на прочность при напряжениях, переменных во времени — М.: Типография МВТУ. 1978. — 58с.

26. Вафин Р.К. Функции распределения долговечности валов трансмиссий транспортных машин

27. Труды МВТУ. — №332. — Динамика и прочность машин. — М. 1980. — С.113—119.

28. Вафин Р.К. Найденов С., Покровский А.М. Нагруженность. долговечность и живучесть элементов конструкций транспортных систем

29. Актуальные проблемы фундаментальных наук: труды второй международной научно-технической конференции — М., 1994. — Том.2, часть 2. — С. D-14 — D-16.

30. Зябликов В.М. Учет упруго-инерционных свойств трансмиссии при колебаниях гусеничных машин

31. Известия ВУЗов. Машиностроение. — 1993. — №1. — С. 108 — 111.

32. Зябликов В.М., Ряховский О.А., Смирнов В.Ф. Некоторые рекомендации по выбору муфт в силовых приводах машин

33. Известия ВУЗов. Машиностроение. — 1999. — №2-3. — С.42 — 46.

34. РТМ 24.010.20.74. Расчеты на долговечность (по усталости) узлов и деталей металлургического оборудования. Определение эквивалентной нагрузки: ВНИИМЕТМАШ. — М.: НИИИНФОРТЯЖМАШ, 1976. — 66с.

35. Сызранцев В.Н., Добрынько А.В. Методы прогнозирования долговечности деталей по показаниям датчиков деформации интегрального типа. — Курган: КМИ, 1993. —107с.

36. Кучерявый В. Имитационное моделирование остаточного ресурса деталей машин

37. Актуальные проблемы фундаментальных наук: труды второй международной научно-технической конференции — М., 1994. — Том.2, часть 2 . — С. F- 4.

38. Надежность механических систем и конструкций при случайных воздействиях / А.С. Гусев, A.JI. Карунин, Н.А. Крамской и др. — М.: МГТУ МАМИ, 2000.—284с.

39. Вердеревский В.А., Глейберг А.З., Никитин А.С. Трубопрокатные станы — М.: Металлургия, 1983. — 240с.

40. Веренев В.В. Большаков В.И., Подобедов Н.И. Частотные свойства главных приводных линий клетей широкополосных станов

41. Сталь. — 2001. — №4. — С.55 — 58.

42. Технология и оборудование трубного производства / В.Я. Осадчий, А.С. Вавилин, А.П. Коликов и др. — М.: Интермет Инжиниринг, 2001. — 608с.

43. Анисифоров В.П., Мальцев А.И., Курганов В.Д. Определение динамических нагрузок в автоматических станах трубопрокатных агрегатов

44. Известия ВУЗов. Черная металлургия. — 1975. — №11. — С.18 — 21.

45. Потапов И.Н., Коликов А.П., Друян В.М. Теория трубного производства — М.: Металлургия, 1990. — 344с.

46. Синицкий В.М., Рыбаков Ю.В., Крутильные колебания шпинделей и вибрация клетей станов холодной прокатки с независимым приводом рабочих валков

47. Производство проката. — 2004. — №10. — С.23 — 26.

48. Технические средства диагностирования / В.В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др. — М.: Машиностроение, 1989. — 672с.

49. Гелль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс — М.: ДМК, 1999. — 144с.